KR102662020B1 - 전력 변압기의 적어도 하나의 권선을 위한 지지 구조물, 전력 변압기 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 유도성 디바이스, 특히 전력 변압기 (20) 의 적어도 하나의 권선 (24) 를 위한 지지 구조물 (10) 에 관한 것으로서, 유지 구조물로부터의 압축력을 적어도 하나의 권선 (24) 에 전달 및 분배하도록 구성된 프레스 구조물 (11), 유지 구조물을 적어도 하나의 권선 (24) 으로부터 전기적으로 절연하도록 구성된 절연체 구조물 (12), 및 액체 냉각제의 유동을 적어도 하나의 권선 (24) 의 상이한 부분으로 또는 그로부터 안내 및 분배하도록 구성된 냉각제 유동 구조물 (13) 을 포함한다. 프레스 구조물 (11), 절연체 구조물 (12) 및 냉각제 유동 구조물 (13) 은 중합체 재료를 포함하는 하나의 일체형 부분으로 형성된다. 상기 일체형 부분은 상기 유지 구조물에 대면하는 제 1 측면 (16) 으로부터 상기 적어도 하나의 권선 (24) 에 대면하는 제 2 측면 (17) 으로 상기 액체 냉각제의 통과를 위한 복수의 오리피스들 (14, 15) 을 포함한다. 본 개시는 또한 이러한 지지 구조물 (10) 을 포함하는 전력 변환기 (20) 및 지지 구조물 (10) 을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
Description
본 개시는 프레스 구조물, 절연체 구조물 및 냉각제 유동 구조물을 포함하는 유도성 디바이스, 특히 전력 변압기의 적어도 하나의 권선을 위한 지지 구조물에 관한 것이다. 본 개시는 또한 이러한 지지 구조물을 포함하는 전력 변환기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
문헌 WO 2014/095399 A1 은 전기 절연체 및 코어 주위의 도전체의 권선을 포함하는 전기 변압기에 관한 것으로, 상기 절연체는 본질적으로 비다공성 복합 재료로 형성된다.
본 개시의 실시형태들은 지지 구조물의 다양한 기능들을 조합하고 최적화하는 유도성 디바이스, 특히 전력 변압기의 적어도 하나의 권선을 위한 개선된 지지 구조물들에 관한 것이다. 특히, 필요한 부분들의 수 또는 그 각각의 치수는 적층된 목재 또는 적층된 프레스 보드와 같은 셀룰로오스계 재료들로 형성된 종래의 지지 구조물들에 비해 감소될 수 있다.
제 1 양태에 따르면, 유도성 디바이스, 특히 전력 변압기의 적어도 하나의 권선을 위한 지지 구조물이 제공된다. 지지 구조물은 유지 구조물로부터의 압축력을 적어도 하나의 권선에 전달 및 분배하도록 구성된 프레스 구조물, 적어도 하나의 권선으로부터 유지 구조물을 전기적으로 절연시키도록 구성된 절연체 구조물, 및 액체 냉각제의 유동을 적어도 하나의 권선의 상이한 부분들로 또는 상이한 부분들로부터 안내 및 분배하도록 구성된 냉각제 유동 구조물을 포함한다. 프레스 구조물, 절연체 구조물 및 냉각제 유동 구조물은 중합체 재료를 포함하는 하나의 일체형 부분으로 형성된다. 일체형 부분은 유지 구조물에 대면하는 제 1 측면으로부터 적어도 하나의 권선에 대면하는 제 2 측면으로 액체 냉각제의 통과를 위한 복수의 오리피스들을 포함한다.
예를 들어 중합체 재료로부터 단일 블록, 즉 모노-블록으로서 및/또는 적층 제조 공정과 같은 단일 공정으로 형성된 단일 부분과 같은 하나의 일체형 부분의 사용은, 예를 들어 접착 등에 의해 개별적으로 제조된 후 함께 결합된 몇몇 부분들을 조합하는 다중-부분 지지 구조물들에 비해 더 빠르고, 더 간단한 제조 공정 및 더 견고한 지지 구조물을 초래한다.
기계적 안정성을 제공하기에 충분한 경도 및 내구성을 갖는 적합한 중합체 재료들, 예컨대 엔지니어링 플라스틱 재료들 또는 광-경화성 수지, 즉 상업적으로 입수가능한 (광)중합체 재료들의 사용은, 개선된 특성들, 예컨대 개선된 전기적, 기계적 및/또는 화학적 특성을 갖는 지지 구조물을 초래한다. 예를 들어, 지지 구조물은 종래의 셀룰로오스계 재료에 비해 낮은 유전율, 더 등방성 또는 균일한 구조물, 기계적 힘에 대한 더 높은 복원력, 및 특히 전력 변압기의 작동 시 승온에서 액체 냉각제에 포함된 화학 물질에 대한 더 높은 내성을 가질 수 있다. 그 결과, 그러한 중합체 재료들은 더 높은 열 등급을 갖는 절연체로서 잠재적으로 사용될 수 있다.
중합체 재료들의 사용은 또한 적층 제조와 같은 현대의 생산 방법의 사용을 가능하게 하며, 이는 다중 파라미터 최적화에 기인하여 얻어지는 특성들 및 형상들의 개선된 제어를 허용한다. 동시에, 이는 셀룰로오스계 재료로 제조된 프레스 플레이트와의 다중-부분 프레스 배열체들과 같은 종래의 지지 구조물들에 비해 더 가볍고 더 부피가 작은 지지 구조체를 달성하는 것을 돕는다.
제 2 양태에 따르면, 전력 변압기가 제공된다. 전력 변압기는 요크, 적어도 하나의 변압기 레그로서, 각각의 변압기 레그는 코어 및 코어 주위에 감겨진 적어도 하나의 권선을 포함하는, 상기 변압기 레그, 및 요크와 적어도 하나의 변압기 레그의 적어도 하나의 권선 사이에 배열된 적어도 하나의 프레스 플레이트를 포함한다. 적어도 하나의 프레스 플레이트는 제 1 양태에 따른 지지 구조물을 포함한다.
전술된 지지 구조물은 특히 콤팩트한 전력 변압기들의 설계에 유용하다. 특히, 전력 변압기의 프레스 플레이트로서 최적화되고 비교적 얇은 지지 구조물을 사용함으로써, 전력 변압기의 총 높이는 주어진 전압 또는 전력 등급에 대해 감소될 수 있다.
제 3 양태에 따르면, 유도성 디바이스, 특히 전력 변압기의 적어도 하나의 권선을 위한 지지 구조물을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 지지 구조물은 일체형 프레스 구조물, 일체형 절연체 구조물, 일체형 냉각제 유동 구조물, 및 유지 구조물에 대면하는 지지 구조물의 제 1 측면으로부터 적어도 하나의 권선에 대면하는 지지 구조물의 제 2 측면으로 액체 냉각제의 통과를 위한 복수의 일체형 오리피스들을 포함한다. 상기 방법은 적층 제조를 사용하여 중합체 재료로부터 지지 구조물을 형성하는 단계를 포함한다.
이러한 방법은, 예를 들어, 제 1 양태에 따른 지지 구조물을 제조하는데 사용될 수 있고, 이는 또한 제 2 양태에 따른 전력 변압기를 조립하는데 사용될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 개시는 지지 구조물, 그의 제조 및 그의 사용의 여러 양태들을 포함한다. 양태들 중 하나에 대해 설명된 모든 특징들은, 각각의 특징이 특정 양태의 맥락에서 명시적으로 언급되지 않더라도, 여기에서 다른 양태들에 대해 또한 개시된다.
첨부 도면은 추가 이해를 제공하기 위해 포함된다. 도면들에서, 동일한 구조 및/또는 기능의 요소들은 동일한 도면 부호들에 의해 참조될 수 있다. 도면들에 도시된 실시형태들은 예시적인 표현들이며, 반드시 축척대로 그려진 것은 아님을 이해해야 한다.
도 1 은 지지 구조물의 개략적인 사시도이다.
도 2 는 전력 변압기의 개략적인 단면도이다.
도 3 은 최적화 및 제조 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 4 는 제 1 프레스 플레이트의 개략적인 사시도이다.
도 5 는 제 2 프레스 플레이트의 개략적인 사시도이다.
도 6 은 종래의 지지 배열체의 개략적인 분해도이다.
도 2 는 전력 변압기의 개략적인 단면도이다.
도 3 은 최적화 및 제조 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 4 는 제 1 프레스 플레이트의 개략적인 사시도이다.
도 5 는 제 2 프레스 플레이트의 개략적인 사시도이다.
도 6 은 종래의 지지 배열체의 개략적인 분해도이다.
본 발명의 다양한 실시형태들이 아래에서 더 상세히 설명되기 전에, 먼저 유도성 디바이스의 다수의 권선들에 대한 종래의 지지 배열체를 도 6 을 참조하여 설명한다.
도 6 의 분해도에서, 내부 저전압 권선 (1a), 중간 고전압 권선 (1b) 및 외부 조절 권선 (1c) 의 총 3 개의 개별 권선들이 공통 코어 (도 6 에 도시되지 않음) 주위에 감긴다. 각각의 권선의 개별 루프들 뿐만 아니라 그 전체에서의 각각의 권선들 (1a 내지 1c) 은 적절한 절연 재료들을 사용하여 서로 절연된다. 예를 들어, 권선 (1a 내지 1c) 의 루프들을 형성하는 각 와이어의 표면에는 종이 또는 네트, 에나멜 코팅이 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 프레스보드 스페이서들은 권선 (1a 내지 1c) 의 개별 턴들 사이에 또는 개별 권선들 (1a 내지 1c) 사이에 제공될 수 있다.
개별 권선들 (1a 내지 1c) 을 유도성 디바이스의 운반 및 작동 동안 적소에 유지하기 위해, 권선 (1a 내지 1c) 의 대향 단부들은 상부 지지 구조물 (2a) 및 하부 지지 구조물 (2b) 에 의해 인가되는 압축력을 사용하여 함께 가압된다. 도 6 에 도시된 배열체에서, 지지 구조물들 (2a 및 2b) 각각은 셀룰로오스계 재료로 제조된 별개의 부분들로 형성된다. 예를 들어, 상부 지지 구조물 (2a) 은 4 개의 프레스 블록들 (3), 2 개의 프레스 지지부들 (4), 상부 프레스 링 (5) 및 상부 스페이서 링 (7) 을 형성하는 복수의 스페이서들 (6) 을 포함한다. 하부 지지 구조물 (2b) 은 또한 하부 스페이서 링 (8) 및 하부 프레스 링 (9) 을 형성하는 복수의 스페이서들 (6) 을 포함한다.
지지 구조물들 (2a, 2b) 의 다양한 부분들은 아래에 설명되는 바와 같은 다양한 기능들을 수행하도록 개별적으로 최적화된다. 예를 들어, 프레스 블록들 (3) 은 적층된 프레스보드 또는 적층된 목재로 제조되고, 권선들 (1a 내지 1c) 을 적소에 유지하기 위해 위로부터 이들에 인가되는 압축 하중을 하부 지지부들 (4) 에 전달하도록 구성된다. 2 개의 프레스 지지부들 (4) 은 반원형 부분들로 구성되고 적층된 프레스보드 또는 적층된 목재로 제조된다. 이들은 상부 지지 구조물 (2a) 의 편향을 감소시키는 것을 돕는다. 상부 프레스 링 (5) 은 또한 적층된 프레스보드 또는 적층된 목재로 제조되고, 권선들 (1a 내지 1c) 의 상단부의 상이한 부분들에 압축력을 분배한다. 상부 스페이서 링 (7) 은 적층된 프레스보드의 개별 스페이서들 (6) 에 의해 형성된다. 개별 스페이서들 (6) 사이에는, 냉각제가 권선들 (1a 내지 1c) 로부터 유출되게 하도록 채널들이 형성된다. 하부 스페이서 링 (8) 은 상부 스페이서 링 (7) 과 유사한 방식으로 구성되고, 냉각에 사용되는 오일이 권선들 (1a 내지 1c) 내로 유동하도록 한다. 동일하게, 하부 프레스 링 (9) 은 적층된 프레스보드로 제조되고, 상부 지지 구조물 (2a) 에 의해 권선들 (1a 내지 1c) 에 인가되는 압축력을 집속한다.
상기 배열체는 유도성 디바이스의 권선들 (1a 내지 1c) 을 유지, 절연 및 냉각하는 요구되는 기능들을 제공하지만, 그 설계가 비교적 복잡하고 따라서 제조 비용이 많이 든다. 더욱이, 사용된 재료들, 즉 프레스보드 및/또는 적층된 목재는 비교적 무겁고, 4.0 내지 4.4 의 비교적 높은 유전율을 가지며, 이방성 기계적 특성을 갖는다. 이러한 사실을 보상하기 위해, 지지 구조물들 (2a, 2b) 을 형성하는 개별 부분들은 종종 과도하게 설계되어 상부 지지 구조물 (2a) 및 하부 지지 구조물 (2b) 의 비교적 높은 두께를 초래한다. 따라서, 전력 변압기 또는 리액터와 같은 유도성 디바이스의 적어도 하나의 권선을 지지하는데 사용될 수 있는 지지 구조물들을 추가로 개선하고자 하는 요구가 있다.
도 1 은 본 개시의 일 실시형태에 따른 개선된 지지 구조물 (10) 을 도시한다. 예시적인 지지 구조물 (10) 은 프레스 구조물 (11), 절연체 구조물 (12) 및 냉각제 유동 구조물 (13) 을 포함한다. 도 6 의 지지 구조물들 (2a, 2b) 과는 반대로, 도 1 의 지지 구조물 (10) 은 중합체 재료, 특히 엔지니어링 플라스틱 재료로 제조된 하나의 일체형 부분으로서 형성된다. 설명된 실시형태에서, 지지 구조물 (10) 은 3D 인쇄되거나, 유사한 적층 제조 기술에 의해 제조된다.
예시적인 실시형태에서, 사용된 중합체 재료는 등방성이고, 최적화 단계들에서 획득된 구조적 배열체들에 기반하여 기계적 하중을 균일하게 전달한다. 그러한 특성들은 하나 이상의 내부 공동들을 갖는 비교적 경량이고, 잠재적으로 지지 구조물 (10) 의 제조를 허용한다. 이러한 지지 구조물 (10) 은, 예를 들어 수년 또는 수십 년의 예상 수명 사이클 전체에 걸쳐, 긴 기간 동안 요구되는 힘의 압축을 가하고 유지할 수 있지만, 또한 예를 들어 지지 구조물을 포함하는 전력 변압기의 단락 동안, 적어도 하나의 권선으로부터 적어도 하나의 유지 구조물로 압축력 및 굽힘력을 안전하게 전달할 수 있다.
적어도 하나의 실시형태에 따라서, 중합체 재료는 폴리에테르이미드 (PEI) 또는 폴리에테르 에테르 케톤 (PEEK) 또는 폴리아미드 (PA) 또는 폴리페닐렌 설파이드 (PPS) 또는 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT) 또는 폴리시클로헥실렌디메틸렌 테레프탈레이트 (PCT) 중 적어도 하나를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 중합체 재료는 합성 열가소성 화합물로 둘러싸인 섬유 또는 임의의 다른 강화상 (reinforcing phase) 을 포함하는 복합 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유들은 폴리에테르이미드 (PEI) 또는 폴리에테르 에테르 케톤 (PEEK) 또는 폴리아미드 (PA) 또는 폴리페닐렌 설파이드 (PPS) 또는 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT) 또는 폴리시클로헥실렌디메틸렌 테레프탈레이트 (PCT) 에 의해 둘러싸일 수 있다. 이러한 재료는 적층 제조 공정에 사용될 수 있고, 따라서 종종 비교적 적은 수로만 제조되는 전력 변압기를 위한 최적화된 지지 구조물의 신속하고 비용 효율적인 제조를 가능하게 한다.
도시된 실시형태에서, 프레스 구조물 (11) 은 상부 메인 표면 및 하부 메인 표면 상에 여러 개의 돌출부들을 갖는 비교적 편평한 링 또는 디스크 형상의 본체를 포함한다. 현대의 생산 방법의 사용은 본체 상에 돌출부들의 일체화된 형성을 허용하고, 따라서 프레스 블록들 (3), 프레스 지지부들 (4) 또는 스페이서들 (6) 과 같은 별개의 부분들을 제공할 필요성을 없앤다. 함께, 지지 구조물 (10) 의 이러한 요소들은 유지 구조물로부터 지지 구조물 (10) 아래에 배열된 적어도 하나의 권선으로 압축력을 전달 및 분배할 수 있다 (도 1 에 도시되지 않음). 절연체 구조물 (12) 은 지지 구조물 (10) 의 본체의 플라스틱 재료에 의해 본질적으로 형성된다.
도시된 예에서, 지지 구조물 (10) 은 6.5 미만, 예를 들어 4.0 미만 또는 3.5 미만의 비교적 낮은 고유 유전율을 갖는 중합체 재료로 형성된다. 작동 시, 즉 지지 구조물 (10) 의 냉각 채널들 및/또는 다른 공동들이 액체 냉각제, 특히 전력 변압기들을 냉각시키는데 사용되는 바와 같은 광유 (mineral oil) 로 충전될 때, 지지 구조물 및 냉각제의 유효 또는 조합된 유전율은 훨씬 더 낮을 것이다. 예를 들어, 약 2.1 의 유전율을 갖는 광유에 대해, 지지 구조물 (10) 의 유효 유전율은 3.5 미만 또는 심지어 3.0 미만일 것이다. 적층된 프레스보드로 형성된 대응하는 프레스 링들 (5 및 9) 에 비해, 절연체 구조물 (12) 은 더 얇게 형성될 수 있고, 지지 구조물 (10) 위에 배열된 임의의 유지 구조물과 아래에 배열된 적어도 하나의 권선 사이에 충분한 전기적 절연을 여전히 제공한다.
도시된 예에서, 냉각제 유동 구조물 (13) 은 지지 구조물 (10) 의 제 1 측면 (16) 및 제 2 측면 (17) 상에 각각 배열된 다수의 오리피스들 (14, 15) 을 포함한다. 제 1 측면 (16) 은 전력 변압기의 요크와 같은 유지 구조물에 대면하는 지지 구조물 (10) 의 측면에 대응한다. 제 2 측면 (17) 은 적어도 하나의 권선에 대면하는 지지 구조물 (10) 의 하부 측면에 대응한다. 오리피스들 (14, 15) 은 상호연결되고 구성되어, 지지 구조물 (10) 을 포함하는 유도성 디바이스의 작동 중에 액체 냉각제가 제 2 측면 (17) 으로부터 제 1 측면 (16) 으로, 또는 그 반대로 유동할 수 있다. 더욱이, 도 1 에 도시된 실시형태에서, 제 2 측면 (17) 에서의 돌출부들은 또한 적어도 하나의 권선의 대응하는 부분들로 또는 그로부터 냉각제를 안내하거나 채널링하는 것을 도울 수 있다.
적어도 하나의 실시형태에 따르면, 적어도 하나의 만곡된 냉각 채널은 제 1 측면 (16) 에 위치된 적어도 하나의 제 1 오리피스 (14) 를 제 2 측면 (17) 에 위치된 적어도 하나의 제 2 오리피스 (15) 와 상호연결한다. 적층 제조와 같은 현대의 생산 방법의 사용은 만곡된 냉각 채널들의 제공을 허용하며, 이는 또한 액체 냉각제의 유동이 냉각제의 유동에서 난류 또는 다른 바람직하지 않은 교란을 생성하지 않고 적어도 하나의 권선의 상이한 부분들로 지향되게 한다.
도 2 는 본 개시의 일 실시형태에 따른 전력 변압기 (20) 의 단면을 도시한다. 전력 변압기 (20) 는 상부 요크 (21), 하부 요크 (22) 및 요크들 (21, 22) 사이에 배열된 2 개의 변압기 레그들 (23) 을 포함한다. 단순화를 위해, 도 2 에는 2 개의 변압기 레그들 (23) 만이 도시되어 있지만, 전력 변압기들은 종종 3 개 이상의 변압기 레그들을 포함한다는 사실에 주목한다. 특히, 3 상 전력 분배 네트워크에서, 통상적으로 3 개의 변압기 레그들 (23) 을 갖는 전력 변압기들이 사용될 것이다.
각각의 변압기 레그 (23) 는 공통 코어 (25) 주위에 감긴 하나 이상의 권선들 (24) 을 포함한다. 설명된 실시형태에서, 2 개의 권선들 (24), 예를 들어, 저전압 권선 및 고전압 권선은 각각의 변압기 레그 (23) 의 각각의 코어 (25) 주위에 감긴다. 권선들 (24) 은 상부 프레스 플레이트 (26) 및 하부 프레스 플레이트 (27) 에 의해 적소에 유지된다. 도 2 에서 볼 수 있는 바와 같이, 프레스 플레이트들 (26, 27) 은 권선들 (24) 의 상단부와 상부 요크 (21) 사이 및 권선들 (24) 의 하단부와 하부 요크 (22) 사이에 각각 배열된다. 즉, 프레스 플레이트들 (26, 27) 은 기계적 압축력을 변압기 요크로부터 권선 (24) 으로 전달한다.
도 2 에는 도시되어 있지 않지만, 적어도 하부 요크 (22), 및 코일들 (24) 및 프레스 플레이트들 (26, 27) 을 포함하는 2 개의 변압기 레그들 (23), 및 선택적으로 상부 요크 (21) 는 액체 냉각을 유지하는 공통 탱크 내에 배열되며, 이는 광유, 실리콘 오일, 합성 에스테르 또는 천연 에스테르와 같은 액체 냉각제를 유지한다. 전력 변압기의 작동시, 액체 냉각제는 코일들 (24) 을 통해 순환한다.
설명된 실시형태에서, 상부 프레스 플레이트 (26) 는 도 1 에 도시된 바와 같은 지지 구조물과 유사한 방식으로 구성된다. 특히, 이는, 본체 (28) 의 제 1 메인 표면에 대응하는 상부 프레스 플레이트 (26) 의 제 1 측면 (16) 상에 배열된 다수의 제 1 돌출부들 (29), 및 본체 (28) 의 제 1 메인 표면에 대응하는 상부 프레스 플레이트 (26) 의 제 2 측면 (17) 상에 배열된 다수의 제 2 돌출부들 (30) 을 가진, 본질적으로 편평한, 제시된 예에서, 디스크 형상의 본체 (28) 를 포함한다. 더욱이, 디스크 형상의 본체 (28) 는 전력 변압기 (20) 가 냉각 유체에 침지될 때 액체 냉각제가 권선들 (24) 의 내부 또는 외부로 유동할 수 있게 하는 다수의 내부 냉각 채널들 (31) 을 포함한다. 도 2 의 냉각 채널들 (31) 은 직선형이고, 코어 (25) 의 종축에 대응하는 본질적으로 원통형인 권선들 (24) 의 종축에 대하여 각을 이루어 디스크 형상의 본체 (28) 를 가로지른다. 대안적으로, 도 1 에 도시된 바와 같이, 냉각 채널들 (31) 은 만곡되고 제 1 표면 (16) 및/또는 제 2 표면에서 직각으로 종결될 수 있다. 더욱이, 임의의 조합, 예를 들어 각을 이루어 종결되는 만곡된 냉각 채널들, 또는 표면들 (16, 17) 의 직각으로 종결되거나 및/또는 코일들 (24) 의 종축에 평행하게 종결되는 직선형 냉각 채널들이 가능하다.
일반적으로, 하부 프레스 플레이트 (27) 는 상부 프레스 플레이트 (26) 와 동일한 형상 및 구성을 가질 수 있다. 하지만, 설명된 예에서, 하부 프레스 플레이트 (27) 는 상이한 방식으로 구성된다. 도시된 바와 같이, 이는 상부 커버 (32) 및 하부 커버 (33) 를 포함하며, 이들은 함께 셀 또는 트러스 구조물을 형성하는 다수의 스트럿들 (34) 에 의해 이격된다. 오리피스들 (14, 15) 은 상부 커버 및 하부 커버 (32, 33) 에 각각 배열되어, 냉각 유체가 하부, 상부 또는 측면들로부터 셀 또는 트러스 구조물의 개별 개방 셀들 (35) 에 진입하거나 이를 나올 수 있다. 도 2 에 도시되지는 않았지만, 하부 프레스 플레이트 (27) 는 또한 내부에 오리피스들이 추가로 형성되거나 형성되지 않은 원통형 외부 커버를 포함할 수 있다.
설명된 실시형태에서, 상부 프레스 플레이트 (26) 및 하부 프레스 플레이트 (27) 둘 모두는 3.0 내지 4.0 의 고유 상대 유전율을 갖는 중합체 재료로부터 적층 제조 또는 유사한 현대 제조 방법들을 사용하여 형성된다. 사용된 엔지니어링 플라스틱 재료는 또한 다수의 유리한 기계적 특성들을 가지며, 이는 권선 대 요크 거리의 감소를 초래한다. 이는 또한 전력 변압기 (20) 의 전체 치수들의 감소를 초래한다. 더욱이, 감산 제조 (subtractive manufacturing) 보다 적층 제조의 사용은 요구되는 재료의 양의 상당한 감소를 초래한다. 또한, 낮은 체적의 특수 개별 부분들의 제조 및 조립과 관련하여 툴링 (tooling) 및/또는 조립 비용이 감소될 수 있으며, 이는 원재료의 잠재적인 더 높은 가격에도 불구하고 전력 변압기 (20) 의 전체 제조 비용을 낮추는 것을 돕는다. 자기 코어의 크기를 포함하는 변압기 (20) 의 크기의 감소는 또한 바람직한 부작용으로서 무부하 손실의 감소를 초래할 것이다.
사출 성형 등의 종래의 생산 방법을 이용하여 제조되는 플라스틱 부분들에 비해, 적층 제조 기술에 의해 얻어지는 자유도는 프레스 플레이트들 (26, 27) 의 특성들을 더욱 최적화시킬 수 있다. 내부 냉각 채널 (31) 을 갖는 상부 프레스 플레이트 (26) 또는 내부 개방 셀 구조를 갖는 하부 프레스 플레이트 (27) 와 같은 적층 제조 방법에 의해 제조될 수 있는 구조물들은, 최적화된 형상 및 내부 구조로 인해 적절한 기계적 강성을 제공하고, 내장된 냉각 채널들 (31) 또는 개방 셀들 (35) 로 인해 개선된 열적 냉각을 제공한다. 더욱이, PEI 또는 PEEK 와 같은 적층 제조에 사용되는 열가소성 재료들은 광유, 실리콘 오일, 합성 에스테르 또는 천연 에스테르와 같은 관련 냉각제에 대한 내성이 있으며, 시간에 걸쳐 낮은 조임력을 야기하는 바람직한 부작용으로서 안정적인 장기간 특성들을 제공한다. 또한, 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 적층 제조는 다중-물리적 최적화, 즉 원하는 바와 같은 기계적, 열적 및 전기적 특성들에 관한 지지 구조물의 조합된 최적화로부터 초래하는 최적화된 형상들을 구현하기 위한 개선된 설계 자유도를 제공할 것이다.
도 3 은 최적화 및 제조 방법의 흐름도를 개략적인 방식으로 도시한다. 높은 레벨에서, 방법은 전력 변압기 (20) 와 같은 표시 디바이스 (indicative device) 를 구축하는데 사용되는 3 개의 단계들 (S1 내지 S3) 을 포함한다. 제 1 단계 S1 에서, 지지 구조물 (10) 의 형상이 최적화된다. 단계 S1 은 서로 영향을 주는 다수의 개별 최적화 단계들 S11 내지 S13 을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제 1 최적화 단계 S11 에서, 지지 구조물의 기계적 특성들은 유지 구조물로부터 적어도 하나의 권선으로 원하는 압축력을 전달 및 분배하도록 최적화될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 기계적 최적화 단계 S11 는 또한 지지 구조물이 미리 규정된 기계적 강성을 달성하도록 강제할 수 있다.
제 2 최적화 단계 S12 에 따르면, 복수의 일체형 오리피스들 (14, 15) 을 상호연결하는 적어도 하나의 냉각 채널 (31) 의 개수, 직경 또는 경로 중 적어도 하나는 미리 규정된 열적 냉각 능력을 제공하도록 최적화될 수 있다. 예를 들어, 냉각제의 주어진 유동을 갖는 지지 구조물 (10) 의 유동 저항이 계산되고 최적화될 수 있다.
제 3 최적화 단계 S13 에서, 지지 구조물 (10) 의 표면 구조물은 유지 구조물 및/또는 적어도 하나의 권선 중 적어도 하나와 매칭하도록 최적화될 수 있다. 예를 들어, 다수의 돌출부들 (29, 30) 이 디스크 형상의 본체 (28) 의 제 1 측면 (16) 및/또는 제 2 측면 (17) 내에 또는 그 위에 형성되어, 예를 들어 동력 변압기의 운반, 작동 및 고장 모드 동안, 유지 구조물로부터 적어도 하나의 권선 (24) 으로 압축, 굽힘 및/또는 단락 힘들을 안전하게 전달하고 그리고/또는 액체 냉각제를 추가로 안내 및 분배할 수 있다.
도 3 에서 양방향 화살표로 표시된 바와 같이, 다양한 최적화 단계들 S11 내지 S13 은 서로 영향을 줄 수 있다. 현대의 설계 방법들을 사용하여, 지지 구조물 (10) 의 형상 및 구조물은 요구되는 특성들이 달성되고 원하는 최적화 파라미터들이 최대값 또는 최소값을 가정할 때까지 변할 수 있다. 예를 들어, 지지 구조물 (10) 의 요구되는 기계적 강성 뿐만 아니라 요구되는 액체 냉각제의 유동 및 요구되는 전기 절연을 유지하면서 지지 구조물 (10) 의 전체 두께가 최소화될 수 있다.
일단 지지 구조물 (10) 의 설계가 단계 S1 에서 최적화되면, 지지 구조물 (10) 은 현대의 제조 방법을 사용하여 단계 S2 에서 제조된다. 특히, 지지 구조물 (10) 은 대형 적층 제조 (LFAM: large format additive manufacturing), 선택적 레이저 소결 (SLS: selective laser sintering) 융합 디포지션 모델링 (FDM: fused deposition modeling), 또는 광조형술 (SLA: stereolithography) 과 같은 적절한 적층 제조 방법을 이용하여 3D 인쇄될 수 있다.
추가 단계 S3 에서, 지지 구조물 (10) 은, 예를 들어 상부 프레스 플레이트 (26) 또는 하부 프레스 플레이트 (27) 로서 전력 변압기 (20) 또는 유사한 유도성 디바이스, 예컨대 리액터에 일체화될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 권선들 (24) 이 하부 프레스 플레이트 (27) 의 상부 표면 상에 배열되기 전에, 하부 프레스 플레이트 (27) 가 코어 (25) 위에 배치될 수 있다. 그 다음, 상부 프레스 플레이트 (26) 는 코어 (25) 위에 그리고 권선들 (25) 위에 배치될 수 있다. 마지막으로, 상부 요크 (21) 가 상부 프레스 플레이트 (26) 위에 장착될 수 있고, 압축력을 상부 프레스 플레이트 (26) 를 통해 권선들 (24) 에 제공할 수 있다.
도 4 및 도 5 는 각각 제 1 프레스, 상부 프레스 플레이트 (26) 및 제 2 하부 프레스 플레이트 (27) 의 개략적인 사시도를 도시한다. 상부 프레스 플레이트 (26) 는 디스크 형상의 본체 (28) 의 제 1 측면 (16) 에 다수의 제 1 오리피스들 (14) 을 포함하고, 또한 디스크 형상의 본체 (28) 의 제 2 측면 (17) 에 다수의 제 2 오리피스들 (15) 을 포함한다. 이는 또한 디스크 형상의 본체 (28) 의 측면 표면 (37) 에 다수의 제 3 오리피스들 (36) 을 포함한다. 디스크 형상의 본체 (28) 의 중심 부분은 유도성 디바이스의 코어 (25) 가 통과할 수 있는 비교적 큰 개구 (38) 를 포함한다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 다양한 오리피스들 (14, 15, 36) 은 다수의 냉각 채널들 (31) 에 의해 연결된다. 내부 냉각 채널들 (31) 중 적어도 일부는 만곡되고, 따라서 드릴링 또는 프레싱과 같은 종래의 감산 제조 방법들을 사용하여 제조될 수 없다.
도 5 의 하부 프레스 플레이트 (27) 는 또한 중심 개구 (38) 를 갖는 디스크 형상의 본체 (28) 를 포함한다. 도 4 의 상부 프레스 플레이트 (26) 의 개별 냉각 채널 (31) 과는 반대로, 전체 디스크 형상의 본체 (28) 는 트러스 구조물 (39) 로 형성되며, 이는 액체 냉각제의 유동이 하부 프레스 플레이트 (27) 를 통과하도록 허용하면서, 여전히 적절한 기계적 지지 및 전기적 절연을 제공한다.
언급된 바와 같은 도 1 내지 도 5 에 도시된 실시형태들은 개선된 지지 구조물 및 그의 제조 방법의 예시적인 실시형태들을 나타낸다. 따라서, 이들은 개선된 디바이스들 및 방법들에 따른 모든 실시형태들의 완전한 리스트를 구성하지 않는다. 실제 지지 구조물들, 유도성 디바이스들 및 이들의 제조를 위한 방법들은 배열체들, 형상들 및 재료들의 관점에서 도시된 실시형태들과 다를 수 있다.
1a : 저전압 권선
1b : 고전압 권선
1c : 조절 권선
2a : 상부 지지 구조물
2b : 하부 지지 구조물
3 : 프레스 블록
4 : 프레스 지지부들
5 : 상부 프레스 링
6 : 스페이서들
7 : 상부 스페이서 링
8 : 하부 스페이서 링
9 : 하부 프레스 링
10 : 지지 구조물
11 : 프레스 구조물
12 : 절연체 구조물
13 : 냉각제 유동 구조물
14 : (제 1) 오리피스
15 : (제 2) 오리피스
16 : 제 1 측면
17 : 제 2 측면
20 : 전력 변압기
21 : 상부 요크
22 : 하부 요크
23 : 변압기 레그
24 : 권선
25 : 코어
26 : 상부 프레스 플레이트
27 : 하부 프레스 플레이트
28 : 디스크 형상의 본체
29 : 제 1 돌출부
30 : 제 2 돌출부
31 : 냉각 채널
32 : 상부 커버
33 : 하부 커버
34 : 스트럿
35 : 오픈 셀
36 : 제 3 오리피스들
37 : 측면 표면
38 : 개구
39 : 트러스 구조물
1b : 고전압 권선
1c : 조절 권선
2a : 상부 지지 구조물
2b : 하부 지지 구조물
3 : 프레스 블록
4 : 프레스 지지부들
5 : 상부 프레스 링
6 : 스페이서들
7 : 상부 스페이서 링
8 : 하부 스페이서 링
9 : 하부 프레스 링
10 : 지지 구조물
11 : 프레스 구조물
12 : 절연체 구조물
13 : 냉각제 유동 구조물
14 : (제 1) 오리피스
15 : (제 2) 오리피스
16 : 제 1 측면
17 : 제 2 측면
20 : 전력 변압기
21 : 상부 요크
22 : 하부 요크
23 : 변압기 레그
24 : 권선
25 : 코어
26 : 상부 프레스 플레이트
27 : 하부 프레스 플레이트
28 : 디스크 형상의 본체
29 : 제 1 돌출부
30 : 제 2 돌출부
31 : 냉각 채널
32 : 상부 커버
33 : 하부 커버
34 : 스트럿
35 : 오픈 셀
36 : 제 3 오리피스들
37 : 측면 표면
38 : 개구
39 : 트러스 구조물
Claims (15)
- 전력 변압기 (20) 의 변압기 레그 (23) 의 코어 (25) 주위에 감겨진 하나 이상의 권선들 (24) 을 위한 지지 구조물 (10) 로서,
- 상기 전력 변압기 (20) 의 요크 (21, 22) 로부터의 압축력을 상기 하나 이상의 권선들 (24) 로 전달 및 분배하도록 구성된 프레스 구조물 (11),
- 상기 하나 이상의 권선들 (24) 로부터 상기 요크 (21, 22) 를 전기적으로 절연하도록 구성된 절연체 구조물 (12), 및
- 상기 하나 이상의 권선들 (24) 의 상이한 부분들로 또는 그로부터 액체 냉각제의 유동을 안내 및 분배하도록 구성된 냉각제 유동 구조물 (13)
을 포함하고,
- 상기 프레스 구조물 (11), 상기 절연체 구조물 (12) 및 상기 냉각제 유동 구조물 (13) 은 하나의 일체형 부분으로서 형성되며,
- 상기 일체형 부분은 중합체 재료를 포함하고,
- 상기 일체형 부분의 상기 냉각제 유동 구조물 (13) 은 상기 요크 (21, 22) 에 대면하는 상기 지지 구조물 (10) 의 제 1 측면 (16) 에 배열된 복수의 제 1 오리피스들 (14) 과 상기 하나 이상의 권선들 (24) 에 대면하는 상기 지지 구조물 (10) 의 제 2 측면 (17) 에 배열된 복수의 제 2 오리피스들 (15), 및 상기 제 1 측면 (16) 및 상기 제 2 측면 (17) 중 적어도 어느 하나 상에 형성된 복수의 돌출부들 (29, 30) 을 포함하고,
상기 제 1 오리피스들 (14) 과 상기 제 2 오리피스들 (15) 및 상기 복수의 돌출부들은 상기 제 1 측면 (16) 으로부터 상기 제 2 측면 (17) 으로 상기 액체 냉각제의 유동을 안내하도록 구성되는, 지지 구조물 (10). - 제 1 항에 있어서,
- 상기 중합체 재료는 4.0 미만의 고유 상대 유전율을 가지고, 또는
- 상기 일체형 부분은 상기 냉각제 유동 구조물의 모든 냉각 채널들 (31) 이 상기 액체 냉각제로 충전될 때 3.5 미만의 유효 상대 유전율을 가지고, 또는
- 상기 중합체 재료는 4.0 미만의 고유 상대 유전율을 가지고, 그리고 상기 일체형 부분은 상기 냉각제 유동 구조물의 모든 냉각 채널들 (31) 이 상기 액체 냉각제로 충전될 때 3.5 미만의 유효 상대 유전율을 가지는, 지지 구조물 (10). - 제 1 항에 있어서,
상기 일체형 부분은 엔지니어링 플라스틱 재료 또는 광중합체를 포함하는 적층 제조 부분으로 형성되는, 지지 구조물 (10). - 제 1 항에 있어서,
상기 중합체 재료는 광유, 실리콘 오일, 합성 에스테르, 또는 천연 에스테르 중 적어도 하나에 대해 화학적 내성을 가지는, 지지 구조물 (10). - 제 1 항에 있어서,
상기 중합체 재료는 폴리에테르이미드 (PEI), 폴리에테르 에테르 케톤 (PEEK), 폴리아미드 (PA), 폴리페닐렌 설파이드 (PPS), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT), 또는 폴리시클로헥실렌디메틸렌 테레프탈레이트 (PCT) 중 적어도 하나를 포함하는, 지지 구조물 (10). - 제 1 항에 있어서,
상기 중합체 재료는 합성 열가소성 화합물로 둘러싸인 섬유를 포함하는 복합 재료를 포함하는, 지지 구조물 (10). - 제 1 항에 있어서,
상기 지지 구조물은, 본질적으로 원통형인 상기 하나 이상의 권선들 (24) 의 종축에 대해 각을 이루어 상기 지지 구조물 (10) 의 디스크 형상의 본체 (28) 를 가로지르는, 적어도 하나의 만곡된 냉각 채널 (31) 및 적어도 하나의 직선 냉각 채널 (31) 중 적어도 어느 하나를 더 포함하고,
상기 적어도 하나의 만곡된 냉각 채널 또는 상기 직선 냉각 채널 (31) 은 상기 제 1 측면 (16) 에 위치된 상기 제 1 오리피스들 (14) 중 적어도 하나를 상기 제 2 측면 (17) 에 위치된 상기 제 2 오리피스들 (15) 중 적어도 하나와 상호 연결하는, 지지 구조물 (10). - 제 1 항에 있어서,
상기 지지 구조물은,
- 상기 요크 (21, 22) 에 대면하는 제 1 메인 표면 및 상기 하나 이상의 권선들 (24) 에 대면하는 적어도 하나의 대향하는 제 2 메인 표면을 갖는 편평한 본체, 또는 정사각형, 육각형, 팔각형 또는 디스크 형상의 본체 (28) 를 포함하고,
- 상기 편평한 본체 및 상기 적어도 하나의 돌출부 (29, 30) 는 하나의 일체형 부분으로 형성되고,
- 상기 적어도 하나의 돌출부 (29, 30) 는 상기 제 1 메인 표면 또는 상기 제 2 메인 표면 중 적어도 하나에 배열되며,
- 상기 편평한 본체 및 상기 적어도 하나의 돌출부 (29, 30) 는 상기 프레스 구조물 (11), 상기 절연체 구조물 (12) 및 상기 냉각제 유동 구조물 (13) 을 포함하는, 지지 구조물 (10). - 제 1 항에 있어서,
상기 지지 구조물 (10) 은 프레스 플레이트 (26, 27) 로서 구성되고, 상기 하나 이상의 권선들 (24) 의 코어 (25) 를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 개구 (38) 를 포함하는, 지지 구조물 (10). - 전력 변압기 (20) 로서,
- 요크 (21, 22),
- 적어도 하나의 변압기 레그 (23) 로서, 각각의 변압기 레그 (23) 는 코어 (25) 및 상기 코어 (25) 주위에 감겨진 하나 이상의 권선들 (24) 을 포함하는, 상기 적어도 하나의 변압기 레그 (23), 및
- 상기 요크 (21, 22) 와 상기 적어도 하나의 변압기 레그 (23) 의 상기 하나 이상의 권선들 (24) 사이에 배열된 적어도 하나의 프레스 플레이트 (26, 27) 로서, 상기 적어도 하나의 프레스 플레이트 (26, 27) 는 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 지지 구조물을 포함하는, 상기 적어도 하나의 프레스 플레이트 (26, 27)
를 포함하는, 전력 변압기 (20). - 제 10 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 프레스 플레이트 (26, 27) 는,
- 상기 하나 이상의 권선들 (24) 의 상단부와 상기 전력 변압기의 상부 요크 (21) 사이에 배열되고 상기 지지 구조물을 포함하는, 상부 프레스 플레이트 (26), 및
- 상기 하나 이상의 권선들 (24) 의 하단부와 상기 전력 변압기의 하부 요크 (22) 사이에 배열된 하부 프레스 플레이트 (27)
를 포함하는, 전력 변압기 (20). - 제 11 항에 있어서,
상기 하부 프레스 플레이트 (27) 는 상부 커버 (32) 및 하부 커버 (33) 를 포함하고, 상기 상부 커버 (32) 및 상기 하부 커버 (33) 는 셀 또는 트러스 구조물 (39) 를 함께 형성하는 다수의 스트럿들 (34) 에 의해 이격되어, 상기 액체 냉각제는 상기 셀 또는 트러스 구조물의 개별 개방 셀들 (35) 을 하부, 상부 또는 측면들로부터 진입 또는 나올 수 있는, 전력 변압기 (20). - 제 10 항에 있어서,
상기 전력 변압기는 탱크를 더 포함하고,
- 상기 요크 (21, 22), 상기 적어도 하나의 변압기 레그 (23) 및 상기 적어도 하나의 프레스 플레이트 (26, 27) 는 상기 탱크 내에 배열되며,
- 상기 탱크는 상기 전력 변압기 (20) 를 위한 냉각제로서 작용하는 광유, 실리콘 오일, 합성 에스테르, 또는 천연 에스테르 중 적어도 하나로 적어도 부분적으로 충전되는, 전력 변압기 (20). - 전력 변압기 (20) 의 변압기 레그 (23) 의 코어 (25) 주위에 감겨진 하나 이상의 권선들 (24) 을 위한 지지 구조물 (10) 을 제조하기 위한 방법으로서,
상기 지지 구조물 (10) 은 일체형 프레스 구조물 (11), 일체형 절연체 구조물 (12) 및 일체형 냉각제 유동 구조물 (13) 을 포함하고,
상기 일체형 냉각제 유동 구조물 (13) 은 상기 전력 변압기 (20) 의 요크 (21, 22) 에 대면하는 상기 지지 구조물 (10) 의 제 1 측면 (16) 에 배열된 복수의 일체형 제 1 오리피스들 (14), 상기 하나 이상의 권선들 (24) 에 대면하는 제 2 측면 (17) 에 배열된 복수의 일체형 제 2 오리피스들 (15), 및 상기 제 1 측면 (16) 및 상기 제 2 측면 (17) 중 적어도 어느 하나 상에 형성된 복수의 돌출부들 (29, 30) 을 포함하고,
상기 일체형 제 1 오리피스들 (14) 과 상기 일체형 제 2 오리피스들 (15) 및 상기 복수의 돌출부들은 상기 지지 구조물 (10) 의 상기 제 1 측면 (16) 으로부터 상기 제 2 측면 (17) 으로 액체 냉각제의 유동을 안내하도록 구성되고,
상기 방법은,
- 적층 제조를 사용하여 중합체 재료로부터 상기 지지 구조물 (10) 을 형성하는 단계 (S2) 를 포함하는, 지지 구조물을 제조하기 위한 방법. - 제 14 항에 있어서,
적층 제조 방법은,
- 융합 디포지션 방법 (FDM),
- 대형 적층 제조 (LFAM),
- 선택적 레이저 소결 (SLS), 또는
- 광조형술 (SLA)
중 적어도 하나를 포함하는, 지지 구조물을 제조하기 위한 방법.
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